JP4171937B2

JP4171937B2 - 測定検査用顕微鏡

Info

Publication number: JP4171937B2
Application number: JP15875798A
Authority: JP
Inventors: 淳竹内; 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2018-06-08
Also published as: JPH11352408A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定検査用顕微鏡に関し、特に近年微細化の進む半導体を測定、及び検査するのに有効な測定検査用顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の測定検査用顕微鏡の光源としては、タングステンランプやハロゲンランプが一般的に知られている。タングステンランプやハロゲンランプは通常ケーラー照明と呼ばれる照明系の光源として使用されており、試料に対して全体にムラなく一括で照明できるような構成となっている（以降上記のような照明を一括照明と呼ぶ）。
【０００３】
上記照明系にて半導体のように不透明な試料を検査する際には、反射照明あるいは落射照明と呼ばれるような照明系を構成し、照明光路と観察光路とを分岐するために試料と像との間にハーフミラーやハーフプリズムなどの光学部材を挿入し照明光が試料の上方から照射されるように構成する。
一括照明によって得られた試料の反射光は観察系を介して結像され、例えばＣＣＤカメラによって撮像される。そして、撮像された試料像はモニタに映し出され、回路パターンの検査が行なわれたり、画像処理によって各種計測（長さや面積等）が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体分野においては、より高密度化、高集積化が進み、測定・検査の対象となる半導体の回路パターンは微細化してきている。
従って、従来の測定検査用顕微鏡においては、より解像力を高めるために、高ＮＡの対物レンズを用いたり、より短波長の照明光を用いることによって対応している。
【０００５】
しかしながら、回路パターンの周期が顕微鏡の解像限界に近づくと、像のコントラストが低下し、回路パターンの検査や線幅の測定等を正確に行なうことができないという問題が生じる。
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、試料上に解像限界付近の周期パターンが存在していても、安価且つ簡単な構成でコントラストの良い試料像を得ることができる測定検査用顕微鏡を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の問題を解決するため、請求項１記載の本発明は、周期的なパターンを有する試料を載置するステージと、試料の所定領域に対して照明光を照射する照明系と、試料からの光を受けて試料の像を形成する観察系とを有する顕微鏡であって、照明系は、試料に照射される照明光を、前記周期的なパターンの周期方向と同一方向の直線偏光にする手段を有することを特徴とするものである。
【０００７】
図１は、周期方向が互いに直交するＸ及びＹ方向である周期パターン（ＰＴ１、ＰＴ２）を有する試料をＸ方向の直線偏光の光で照射したときの様子を表す図である。Ｘ方向の直線偏光の光Ｒで周期パターンＰＴ１、ＰＴ２を照明した場合、周期方向と偏光方向が一致している場合とそれに直交する場合とで得られた像のコントラストが異なる。とくに、パターンの周期が波長オーダーの微細な凹凸からなる周期構造を反射観察する場合に顕著である。これは物体の伝導率がゼロでない場合、周期方向が偏光方向に対し垂直な周期パターンＰＴ２であると、パターンに電流が流れて光の電場を打ち消すため、実質的に凹凸構造の溝の内部に光が侵入しにくくなり、その結果凹凸構造を実際よりも浅く感じてしまうことによる。
【０００８】
従って、周期パターンを照明する場合、凹凸からなる周期構造に対しては周期方向と偏光方向が一致しているパターンＰＴ１の方が溝に光が侵入しやすく、その結果溝による光の位相変調が大きくなり、結果的に像のコントラストが高まる。したがって周期方向の構造を測定・検査する場合、故意にこの方向の直線偏光で照明することが有効である。
【０００９】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の測定検査用顕微鏡において、照明系が、試料に対して直線偏光の照明光を照射する第１の状態と、試料に対して円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光を照射する第２の状態とを任意に切換可能とする切換手段を有することを特徴とするものである。
測定検査対象の周期パターン（ＰＴ１）の周期方向と同一方向の直線偏光で照明すると、上述の如くその周期パターンに直交するパターン（ＰＴ２）のコントラストが低くなるので、Ｘ方向とＹ方向との像の見えが異なり、均一な観察像を得ることができない。
【００１０】
従って、試料観察時は、円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光によって試料を観察する。この時、観察視野内の回路パターンは全体的に均一なコントラストとなるため、観察しやすくなる。このように、円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光によって試料を観察し、測定検査対象の周期パターンを観察視野内に配置した後、周期パターンの周期方向と同一方向の直線偏光で照射すれば、そのパターン像はコントラストが高くなり、正確な測定・検査を行なうことができる。
【００１１】
第１の状態と第２の状態との切換えは、例えば、照明光路内に偏光状態を変える光学素子を挿脱したり、偏光状態の異なる照明光路を切り替えたりすることによって達成できる。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は２記載の測定検査用顕微鏡において、照明系が、試料に対する直線偏光の偏光方向を変更可能な偏光状態可変手段をさらに有することを特徴とする。
【００１２】
測定・検査対象の周期パターンは、必ずしも観察視野内の所定方向（例えばＸ方向）に並んでいるとは限らず、それに直交する方向（Ｙ方向）に並んでいる場合もある。従って、偏光状態可変手段によって直線偏光の偏光方向を変えることにより、測定・検査対象の周期パターンがどのような方向に並んでいても、正確に測定・検査を行なうことができる。
【００１３】
偏光状態可変手段としては、１／２波長板がもっとも一般的に用いられる。具体的には、１／２波長板の光学軸方向を、入射直線偏光に対し、偏光回転角の半分の角度だけ傾けて配置すればよい。このほか、一般的ではないが、ファラデーローテータのような磁気光学効果を使った旋光素子も使用可能である。
以上はもともとの入射光が直線偏光している場合であるが、もとの入射光が非偏光（熱光源など）やランダム偏光（ファイバー通過後など）である場合は一方の偏光面のみを透過、または反射させる偏光子が必要になる。この場合、もちろん偏光面の回転は偏光子を回転させることによって行う。
【００１４】
請求項４記載の本発明は、請求項２記載の測定検査用顕微鏡において、直線偏光にする手段が、直線偏光のレーザ光を射出するレーザ光源であり、切換手段は、試料に照射される光が円偏光又はランダム偏光となるように、光源からの直線偏光を円偏光又はランダム偏光に変換する変換部材を有し、変換部材を照明光路に挿脱可能に配置すること特徴とする。
【００１５】
光源に直線偏光のレーザ光を射出するレーザ光源を用いることにより、パワーの大きな照明光を得ることができる。また、変換部材を照明光路に挿脱することにより、直線偏光による照明と、円偏光又はランダム偏光による照明とを簡単に切り換えることができる。
請求項５記載の本発明は、請求項３記載の測定検査用顕微鏡において、偏光状態可変手段が、照明光路に配置された１／２波長板を有し、１／２波長板は、照明光路に対する挿脱と照明光路内での回転との少なくとも一方が可能であることを特徴とする。
【００１６】
１／２波長板を照明光路に挿脱することにより、レーザ光源からの直線偏光の方向を簡単に異なる方向に切り換えることができる。また、照明光路で回転可能に配置されることにより、レーザ光源からの直線偏光の方向を簡単に任意の方向に切り換えることができる。
請求項６記載の本発明は、請求項２又は３記載の測定検査用顕微鏡において、照明系は、非偏光の光を射出する光源を有し、直線偏光にする手段は、照明光路に配置されたポラライザを有し、ポラライザは、照明光路に対する挿脱と照明光路内での回転との少なくとも一方が可能であることを特徴とする。
【００１７】
光源からの非偏光な光は、ポラライザを介して直線偏光となる。このポラライザを照明光路に挿脱することにより、照明光を非偏光な光と直線偏光の光とに簡単に切り換えることができ、観察時、検査・測定時ともに最適な試料像を得ることができる。また、ポラライザが照明光路内で回転することにより、偏光方向を任意の方向に変更することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の測定検査用顕微鏡における第１実施形態の概略構成を示す図である。
レーザ光源１は、直線偏光のレーザ光を射出する。本実施形態におけるレーザ光源は、例えば２６６ｎｍの極紫外域の波長のレーザ光を射出する。このレーザ光は、顕微鏡本体（不図示）内に設けられた照明光学系の光路に導かれ、拡散板３によって拡散される。この拡散板３はモータ４によって光路に垂直な面内で回転される。拡散板３を透過した光は、リレー光学系５、開口絞り６、視野絞り７を介してハーフミラー８に入射する。
【００１９】
ハーフミラー８によって反射したレーザ光は、対物レンズ９を介して試料１０上の所定領域に一括照射される。本実施形態の照明光学系（３、５、６、７、８、９）は、試料１０に対してケーラー照明を達成するように構成されている。
試料１０からの反射光は、ハーフミラー８を透過して結像レンズ１１によって集光され、紫外域に感度を有するＣＣＤカメラの撮像素子１２上に結像される。撮像素子によって撮像された試料の像は、不図示のモニタに表示される。
【００２０】
拡散板３は、光路に垂直な面内で回転させているが、光路に垂直な面内で往復運動させるような構成であってもよい。このことにより、スペックルパターンを移動させて消すことが可能となり、より鮮明な試料像を得ることができる。
本実施形態においては、照明光の偏光方向が、図１に示すようにＸ方向となるように設定されている。従って、試料１０上の周期パターンのうち、Ｘ方向に周期方向を有するパターンＰＴ１を検査、測定する場合、コントラスト良くパターン像を撮像することが可能となり、正確な検査・測定を行なうことができる。
【００２１】
また、ステージに回転機構が設けられていれば、図１に示すＹ方向に周期方向を有するパターンＰＴ２も、周期方向をＸ方向に変更することができるため、いずれのパターンＰＴ１、ＰＴ２もコントラスト良く撮像することができる。
ここで、ハーフミラー８は、一般に偏光方向によって反射率と反射の際の位相飛び量が異なるので、照明光学系での偏光状態制御がここで崩れてしまう可能性がある。これを防ぐためには、反射率と反射時の位相飛び量が偏光方向によらずほぼ等しくなるように設計・製造することが望ましい。また、このような設計・製造が不可能な場合は、予めハーフミラーによる偏光の乱れを測定しておき、これを補償するような偏光光学系を照明光学系中に配置してもよい。
【００２２】
また、測定・検査対象となる部分を捜す場合、ある一方向の周期パターンだけがコントラスト良く見えていると、全体像が見にくい場合がある。従って、本実施形態においては、レーザ光源１からの直線偏光を円偏光に変換するλ／４板２を照明光路に挿脱可能に配置できる。このλ／４板２は、顕微鏡本体内の拡散板３の手前側（光源１側）に配置されている。λ／４板２は顕微鏡本体に設けられた挿脱機構２０に設けられている。挿脱機構２０は、例えば顕微鏡本体に設けられたガイドと、ガイドに沿って移動可能な可動部材とから構成され、この可動部材にλ／４板２が保持されており、照明光路に挿脱可能となっている。
【００２３】
λ／４板２は、顕微鏡本体内に配置されているが、光源１のユニット内部に挿脱可能に配置しても良い。また、光源として極紫外域のレーザ光を射出するレーザ光源を用いたが、この波長に限定されるものではなく、可視域の直線偏光のレーザ光を発する光源であっても良い。
以上のような構成によって、試料１０に設けられた周期パターンＰＴ１をコントラスト良く撮像することができ、正確に測定・検査を行なうことができる。また、照明光を円偏光に切り換えることができるので、通常の観察時は周期パターンの方向に関係なく、観察視野内の像を全体的に均一なコントラストで観察することができる。
【００２４】
図３は本発明の測定検査用顕微鏡における第２実施形態の概略構成を示す図である。本実施形態は、先の第１実施形態における変換部材としてのλ／４板に加え、偏光方向を変更するλ／２板を照明光路に挿脱可能に配置したものであり、それ以外の構成は全く同じである。図３において、図２に示す部材と同一の部材には同じ符号を付しており、その説明は省略する。
【００２５】
光源１からの直線偏光のレーザ光は、顕微鏡本体（不図示）に伝達され、照明光学系の光路に導かれ拡散板３に照射される。拡散板３を透過した光は試料に照射され、試料の像はＣＣＤカメラの撮像素子によって撮像される。照明光学系を構成する光学素子（３，５，６，７，８，９）と、観察系を構成する素子（９、８、１１、１２）とは、いずれも顕微鏡本体内に配置されている。
【００２６】
本実施形態において、顕微鏡本体内の拡散板３の手前側には、λ／４板２、λ／２板３１が切り換え機構３０に設けられ、照明光路に挿脱可能に配置されている。図４は切り換え機構３０の構成を示す図である。図４に示すように、λ／４板２、λ／２板３１は、可動部３３に配置されている。さらに可動部３３には開口部３２も並んで配置されている。可動部３３は顕微鏡本体に設けられたガイド３４に沿って移動可能であり、クリックストップ機構３５によって、開口部３２及び各素子（２、３１）が照明光路中に位置決めされる。可動部３３は操作つまみ３６によって顕微鏡本体外部から操作可能となっている。尚、λ／２板３１は、レーザ光源からの直線偏光の偏光方向を９０°回転させるように設定されている。即ち、λ／２板３１を通過した照明光は、試料上においてＹ方向の直線偏光となる。
【００２７】
以上の構成により、通常観察時はλ／４板２を光路に配置し、観察視野内を均一なコントラストにして観察する。そして、測定・検査対象の周期パターンを観察視野内に配置したら、その周期方向がＸ方向であったら、開口部３２を照明光路に配置し、Ｘ方向の直線偏光とする。また、測定・検査対象の周期パターンの周期方向がＹ方向であったら、λ／２板３１を照明光路に配置し、Ｙ方向の直線偏光とする。これにより、測定・検査したい周期パターンをコントラスト良く撮像することが可能となり、正確に測定・検査することができる。
【００２８】
また、λ／２板３１は、光路に垂直な面内で回転可能に構成されていても良い。具体的には、λ／２板３１を保持する保持部３７が可動部３３に対して回転可能に設けられている。また、操作つまみ３６もその長手方向を回転軸として、可動部３３に対して回転可能となっている。この操作つまみの先端部と保持部３７とは、不図示の連結機構によって連結されている。この連結機構は、操作つまみ３６の回転に応じて保持部３７を回転させるように構成されている。
【００２９】
このような構成により、測定・検査対象の周期パターンの周期方向がどのような方向であっても、その周期方向に応じて照明光の偏光方向を設定することができる。
次に第３実施形態を図５を用いて説明する。図５において、図２に示す部材と同一の部材には同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【００３０】
光源５０は、非偏光の光を発する。具体的には、ハロゲンランプやキセノンランプ等である。光源５０からの光は、リレー光学系５、開口絞り６、視野絞り７を介してポラライザ５１に入射する。ポラライザ５１は、光源５０からの非偏光な光を直線偏光にして射出する。ポラライザを透過した光はリレー光学系５、ハーフミラー８、対物レンズ９を介して試料１０に照射される。
【００３１】
本実施形態においても、先の第１実施形態と同様に、照明光の偏光方向が、図１に示すようにＸ方向となるように設定されている。従って、試料１０上の周期パターンのうち、Ｘ方向に周期方向を有するパターンＰＴ１を検査、測定する場合、コントラスト良くパターン像を撮像することが可能となり、正確な検査・測定を行なうことができる。
【００３２】
また、本実施形態において、ポラライザが照明光路から挿脱可能に構成されていてもよい。具体的な構成は先の第１、第２実施形態で述べた物と同様であるので、ここでは説明を省略する。
このことにより、通常観察時は非偏光の照明、測定・検査時は直線偏光による照明が可能となり、それぞれの場面において最適な試料像を得ることができる。
【００３３】
また、ポラライザを照明光路に垂直な面内で回転可能に構成してもよい。このことにより、直線偏光の偏光方向を任意の方向に設定することができ、周期パターンの周期方向に関係なくコントラストの良い像を得ることができる。
さらに本実施形態においては、光源としてレーザ光源を用い、光源からの照明光を光ファイバにて顕微鏡本体に導くような構成であってもよい。レーザ光源からの直線偏光は、光ファイバで伝達されることによって、ランダム偏光となる。ここで、光ファイバは、マルチモードファイバであることが望ましい。このランダム偏光の照明光を直線偏光に変える場合も、図５に示すポラライザ５１を用いることができる。
【００３４】
上述の第１〜第３実施形態においては、観察系としてＣＣＤカメラとモニタとを用いたが、本発明はこれに限らず、例えば単に双眼鏡筒があるだけでもよい。また、上述の第１〜第３実施形態の顕微鏡は一括照明タイプであるが、本発明はこれに限らず、例えばレーザ走査型や共焦点型のような顕微鏡に応用することもできる。
【００３５】
本発明は上述の第１〜第３実施形態によって開示された構成に限られるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の構成を取ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、測定検査用顕微鏡において、試料上に解像限界付近の周期パターンが存在していても、安価且つ簡単な構成でコントラストの良い試料像を得ることができる。
請求項２記載の本発明によれば、試料観察時は、円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光によって試料を観察する。この時観察視野内の回路パターンは全体的に均一なコントラストとなるため、観察しやすくなる。測定検査対象の周期パターンを観察視野内に配置した後、周期パターンの周期方向と同一方向の直線偏光で照射すれば、そのパターン像はコントラストが高くなり、正確な測定・検査を行なうことができる。
【００３７】
請求項３記載の本発明によれば、測定・検査対象の周期パターンがどのような方向に並んでいても、正確に測定・検査を行なうことができる。
請求項４記載の本発明によれば、パワーの大きな照明光を得ることができる。また、変換部材を照明光路に挿脱することにより、直線偏光による照明と、円偏光又はランダム偏光による照明とを簡単に切り換えることができる。
【００３８】
請求項５記載の本発明によれば、レーザ光源からの直線偏光の方向を簡単に異なる方向に切り換えることができる。また、照明光路で回転可能に配置されることにより、レーザ光源からの直線偏光の方向を簡単に任意の方向に切り換えることができる。
請求項６記載の本発明によれば、光源からの非偏光な光は、ポラライザを介して直線偏光となる。このポラライザを照明光路に挿脱することにより、照明光を非偏光な光と直線偏光の光とに簡単に切り換えることができ、観察時、検査・測定時ともに最適な試料像を得ることができる。また、ポラライザが照明光路内で回転することにより、偏光方向を任意の方向に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】周期方向が互いに直交するＸ及びＹ方向である周期パターン（ＰＴ１、ＰＴ２）を有する試料をＸ方向の直線偏光の光で照射したときの様子を表す図である。
【図２】本発明の測定検査用顕微鏡における第１実施形態の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の測定検査用顕微鏡における第２実施形態の概略構成を示す図である。
【図４】切り換え機構３０の構成を示す図である。
【図５】本発明の測定検査用顕微鏡における第３実施形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１・・・レーザ光源
２・・・λ／４板
３・・・拡散板
４・・・モータ
５・・・リレーレンズ系
６・・・開口絞り
７・・・視野絞り
８・・・ハーフミラー
９・・・対物レンズ
１０・・・試料
１１・・・結像レンズ
１２・・・撮像素子
２０、３０・・・切り換え機構
３１・・・λ／２板
３２・・・開口部
３３・・・可動部
３４・・・ガイド
５０・・・光源
５１・・・ポラライザ

Claims

周期的なパターンを有する試料を載置するステージと、試料の所定領域に対して照明光を照射する照明系と、前記試料からの光を受けて前記試料の像を形成する観察系とを有する顕微鏡であって、前記照明系は、前記試料に照射される照明光を、前記周期的なパターンの周期方向と同一方向の直線偏光にする手段を有することを特徴とする測定検査用顕微鏡。
前記照明系は、前記試料に対して直線偏光の照明光を照射する第１の状態と、前記試料に対して円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光を照射する第２の状態とを任意に切換可能とする切換手段を有することを特徴とする請求項１記載の測定検査用顕微鏡。
前記照明系は、前記試料に対する前記直線偏光の偏光方向を変更可能な偏光状態可変手段をさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載の測定検査用顕微鏡。
前記直線偏光にする手段は、直線偏光のレーザ光を射出するレーザ光源であり、前記切換手段は、前記試料に照射される光が円偏光又はランダム偏光となるように、前記光源からの直線偏光を円偏光又はランダム偏光に変換する変換部材を有し、前記変換部材を照明光路に挿脱可能に配置することを特徴とする請求項２記載の測定検査用顕微鏡。
前記偏光状態可変手段は、照明光路に配置された１／２波長板を有し、前記１／２波長板は、前記照明光路に対する挿脱と前記照明光路内での回転との少なくとも一方が可能であることを特徴とする請求項３記載の測定検査用顕微鏡。
前記照明系は、非偏光の光を射出する光源を有し、前記直線偏光にする手段は、照明光路に配置されたポラライザを有し、前記ポラライザは、前記照明光路に対する挿脱と前記照明光路内での回転との少なくとも一方が可能であることを特徴とする請求項２又は３記載の測定検査用顕微鏡。